資料介紹
多年來,數字信號處理器 (DSP) 設計人員一直在應付這樣一項艱難的工作:提供占用空間小的高性能芯片,而且要不影響靈活性和軟件的可編程能力。
由于新的應用程序發展速度驚人,提供的 DSP 必須在功率、性能和使用壽命上跟上這種速度,應對當前面臨的挑戰,并準備好應對未來的應用。這些高性能多核心 DSP被越來越多地應用在電信接入、改進數據率GSM服務(EDGE)和基礎設施設備領域,用來處理語音、視頻和無線電信號。
以前,電信設備制造商使用專用的 ASIC 或 DSP-ASIC 組合來達到自己的目標。現在,這些新的 DSP 可以替代那些繁瑣的解決方案;如果足夠強大,它們還可以實現以前的解決方案所無法實現的靈活性。對于那些必須在網絡部署中持續使用多年的接入和基礎設施設備,而言, 這些靈活的解決方案是大有裨益的。假如這些類型的設備和應用程序的使用壽命得到延長,那么,成功的關鍵就是靈活性、適應性和現場可編程性。
在目前的技術條件下,ASIC 在靈活性或現場可編程性方面不如 DSP,但 DSP 的能耗較大,這讓芯片設計人員左右為難。不過,還是有希望:新一代的多核心 DSP 可以同時做到高性能和高能效。做到這點的技術是存在的,但必須先解決“功率耗散”(功率極限)問題。
功率極限
目前,芯片功率耗散的源頭有兩個:以泄漏形式出現的靜態現象;以開關運算形式出現的動態現象。在采用 90 納米和以下工藝的 CMOS 技術中,這種功率耗散現象最為明顯。但是,新一代的 DSP 設計不僅能減輕和避開這種功率極限,而且實際上可以提高基礎設施、接入和 EDGE 設備的處理能力,同時限制功率消耗和熱量耗散。
部分特定CMOS 技術下的能耗界定的關鍵度量指標:
? 電源電壓
? 門開關速度
? 門輸入電容
? 門功耗
? 每個 MAC 運算消耗的能源
研究表明,同等功能(如 MAC 單元)的功率密度(即單位面積的功率)在 0.13 微米(含)以上的芯片中相當穩定。但是,到達 90 納米時,這個指標會突然升高。
在采用 0.13 微米技術以前,DSP 設計能夠在提高性能的同時降低功率,從而可以在單個芯片中植入更多的電路。這主要是通過減小尺寸并降低電壓實現的。采用了 90 納米技術后,所有這一切就都行不通了。
現在面臨的是以性能換功能的問題,這是設備制造商所不愿遇到的情況:在一個芯片中植入更多電路但降低性能,或者減少電路數以減少功能。
由于“功率極限”的情形繼續存在,設計人員一直在通過增加功耗來獲得性能和功能方面的優勢。但是,這會帶來一種新的風險:達到熱量耗散的極限。所產生的問題可能已經在當前市場上最新一代的通用多核心 DSP 中出現。
零-和博弈:靜態能效
因為性能是基礎設施、接入和 EDGE 應用的主要目標,因此設計人員一般并不關心零待機功率問題。因此,通常采用通用硅工藝來優化性能,而不會選擇低泄漏的硅。選擇低泄漏的硅可以降低待機功率,但也會降低速度和性能。
這就要求有選擇地使用晶體管。
在使用電池的設備中,高電壓閾值 (HVT) 可能是最佳的;但在基礎設施應用中,首選的是標準電壓閾值 (SVT) 技術。
例如,假如某個設計使用 HVT 邏輯運算,并且電源電壓為 1.2V,則將連續產生 20mW 的泄漏功率。如果以最大容量運算,則將消耗 1W 的動態功率。
使用 SVT 邏輯運算的相同設計在電源電壓為 1.0V 時可以實現幾乎相同性能,產生的泄漏功率多出 4 倍 (100mW),但動態消耗的功率只有 694mW (1.02 /1.22 = 0.694)。
因此,泄漏較高的 SVT 設計消耗的總功率只有 790mW,而相比之下,HVT 設計的消耗總功率為 1.02W。前者比后者節能 23%。
由于新的應用程序發展速度驚人,提供的 DSP 必須在功率、性能和使用壽命上跟上這種速度,應對當前面臨的挑戰,并準備好應對未來的應用。這些高性能多核心 DSP被越來越多地應用在電信接入、改進數據率GSM服務(EDGE)和基礎設施設備領域,用來處理語音、視頻和無線電信號。
以前,電信設備制造商使用專用的 ASIC 或 DSP-ASIC 組合來達到自己的目標。現在,這些新的 DSP 可以替代那些繁瑣的解決方案;如果足夠強大,它們還可以實現以前的解決方案所無法實現的靈活性。對于那些必須在網絡部署中持續使用多年的接入和基礎設施設備,而言, 這些靈活的解決方案是大有裨益的。假如這些類型的設備和應用程序的使用壽命得到延長,那么,成功的關鍵就是靈活性、適應性和現場可編程性。
在目前的技術條件下,ASIC 在靈活性或現場可編程性方面不如 DSP,但 DSP 的能耗較大,這讓芯片設計人員左右為難。不過,還是有希望:新一代的多核心 DSP 可以同時做到高性能和高能效。做到這點的技術是存在的,但必須先解決“功率耗散”(功率極限)問題。
功率極限
目前,芯片功率耗散的源頭有兩個:以泄漏形式出現的靜態現象;以開關運算形式出現的動態現象。在采用 90 納米和以下工藝的 CMOS 技術中,這種功率耗散現象最為明顯。但是,新一代的 DSP 設計不僅能減輕和避開這種功率極限,而且實際上可以提高基礎設施、接入和 EDGE 設備的處理能力,同時限制功率消耗和熱量耗散。
部分特定CMOS 技術下的能耗界定的關鍵度量指標:
? 電源電壓
? 門開關速度
? 門輸入電容
? 門功耗
? 每個 MAC 運算消耗的能源
研究表明,同等功能(如 MAC 單元)的功率密度(即單位面積的功率)在 0.13 微米(含)以上的芯片中相當穩定。但是,到達 90 納米時,這個指標會突然升高。
在采用 0.13 微米技術以前,DSP 設計能夠在提高性能的同時降低功率,從而可以在單個芯片中植入更多的電路。這主要是通過減小尺寸并降低電壓實現的。采用了 90 納米技術后,所有這一切就都行不通了。
現在面臨的是以性能換功能的問題,這是設備制造商所不愿遇到的情況:在一個芯片中植入更多電路但降低性能,或者減少電路數以減少功能。
由于“功率極限”的情形繼續存在,設計人員一直在通過增加功耗來獲得性能和功能方面的優勢。但是,這會帶來一種新的風險:達到熱量耗散的極限。所產生的問題可能已經在當前市場上最新一代的通用多核心 DSP 中出現。
零-和博弈:靜態能效
因為性能是基礎設施、接入和 EDGE 應用的主要目標,因此設計人員一般并不關心零待機功率問題。因此,通常采用通用硅工藝來優化性能,而不會選擇低泄漏的硅。選擇低泄漏的硅可以降低待機功率,但也會降低速度和性能。
這就要求有選擇地使用晶體管。
在使用電池的設備中,高電壓閾值 (HVT) 可能是最佳的;但在基礎設施應用中,首選的是標準電壓閾值 (SVT) 技術。
例如,假如某個設計使用 HVT 邏輯運算,并且電源電壓為 1.2V,則將連續產生 20mW 的泄漏功率。如果以最大容量運算,則將消耗 1W 的動態功率。
使用 SVT 邏輯運算的相同設計在電源電壓為 1.0V 時可以實現幾乎相同性能,產生的泄漏功率多出 4 倍 (100mW),但動態消耗的功率只有 694mW (1.02 /1.22 = 0.694)。
因此,泄漏較高的 SVT 設計消耗的總功率只有 790mW,而相比之下,HVT 設計的消耗總功率為 1.02W。前者比后者節能 23%。
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